源極底置封裝提升電源供應(yīng)器之功率密度

功率晶體技術(shù)的積極發(fā)展，對(duì)于交換式電源供應(yīng)器的高效率及小型化做出具體貢獻(xiàn)，功率晶體在晶粒(die)上的發(fā)展技術(shù)發(fā)展著重在有效降低單位面積的導(dǎo)通電阻及寄生電容，以持續(xù)不斷地降低導(dǎo)通電阻及提升切換速度，用以有效減少導(dǎo)通損耗及切換損耗，使電源供應(yīng)器在維持相同的切換頻率下具有較高的效率，或操作在更高頻的條件之下，能夠達(dá)到相同的效率要求；另一方面，功率晶體的封裝技術(shù)發(fā)展除了有效減少封裝的寄生電阻及寄生電感，并且能夠通過(guò)不同的技術(shù)，如擴(kuò)散式焊接(diffusion soldering)實(shí)現(xiàn)降低熱阻(thermal resistance)，或采用能夠?qū)崿F(xiàn)雙面散熱(Double sided cooling)的引線(xiàn)連接，進(jìn)而提升功率晶體的散熱能力及封裝小型化。

傳統(tǒng)的功率晶體晶粒的結(jié)構(gòu)，如圖一(a)所示，閘極(Gate)及源極(Source)位于同一平面，而汲極(Drain)位于另一平面，因此，功率晶體封裝方式會(huì)將晶體的的汲極焊接在較大面積的導(dǎo)線(xiàn)架上，而閘極與源極利用引線(xiàn)及夾具連接到封裝的接點(diǎn)，如圖一(b)所示，傳統(tǒng)的封裝方式設(shè)計(jì)考量緣自考量晶粒的結(jié)構(gòu)以及功率晶體汲極為主要發(fā)熱源的元件層級(jí)(component level)考量，而非依照功率晶體實(shí)際應(yīng)用條件所采用的系統(tǒng)層級(jí)(system level)考量。

(a) 

(b)

圖一  (a)功率晶體晶粒結(jié)構(gòu)及(b)傳統(tǒng)功率晶體的封裝連接方式

何謂系統(tǒng)層級(jí)考量，例如在降壓型轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓的正電壓及地回路都是具有大面積的銅箔，除了具有電磁屏蔽及減少大電流造成的導(dǎo)通損耗外，更可以拿來(lái)做為轉(zhuǎn)換器功率晶體的散熱之用，對(duì)上管功率晶體而言，若采用傳統(tǒng)的封裝，汲極端點(diǎn)的熱可以透過(guò)正電壓端的大面積銅箔散熱；而下管(Low side)功率晶體的汲極，不僅是熱源也是高頻切換點(diǎn)，無(wú)法采用大面積銅箔進(jìn)行散熱；但是對(duì)于下管功率晶體而言，若采用源極底置(source down)的封裝，就可以利用源極連接的大面積地回路來(lái)散熱，除了兼具系統(tǒng)效能，更能有效降低功率晶體的溫度。因此，新式源極底置的封裝，就是為了系統(tǒng)層級(jí)考量而設(shè)計(jì)出來(lái)的封裝。

圖二  系統(tǒng)層級(jí)的功率晶體封裝設(shè)計(jì)考量

如圖三所示，為傳統(tǒng)汲極底置(Drain down)封裝與新式源極底置封裝的示意圖，其中傳統(tǒng)汲極底置封裝的連接方式，功率晶體的晶粒置于導(dǎo)線(xiàn)架(leadframe)之上，導(dǎo)線(xiàn)架直接與功率晶體的汲極相連接，而功率晶體的閘極與源極，分別通過(guò)引線(xiàn)及夾具，連接到封裝接點(diǎn)；而新式的源極底置封裝具有不同的方式，以相反的晶粒放置方式，將源極及閘極以直接連接的方式相連到導(dǎo)線(xiàn)架及閘極封裝，并利用夾具連接晶粒的汲極其及封裝接點(diǎn)。

圖三  傳統(tǒng)封裝與新式源極底置封裝的示意圖

如表一所示，為傳統(tǒng)汲極底置與新式源極底置封裝的參數(shù)比較，透過(guò)封裝內(nèi)連接方式的改變，新式源極底置的封裝能夠有效減少功率晶體的寄生電阻及寄生電感，封裝的寄生電阻從224μΩ減少到140μΩ，而寄生電感從0.44nH減少到0.29nH，可以預(yù)期在新式源極底置封裝的功率晶體上，切換過(guò)程時(shí)來(lái)自寄生電感產(chǎn)生的電壓尖波可以被減小，更重要的是熱阻值從1.8℃/W大幅降到1.4℃/W，熱阻值的降低，不僅提高了功率晶體的散熱能力，能夠大幅提高功率晶體的電流能力以外，零件能夠被使用于更高電流的電路，更重要的是，單位面積封裝的零件具有更高的電流及功率處理能力，對(duì)于提高電源轉(zhuǎn)換裝置的功率密度，能夠發(fā)揮更大的效用。

表一  傳統(tǒng)汲極底置與新式源極底置封裝的參數(shù)比較

例如在Intel CRPS(Common Redundant Power Supply)架構(gòu)下伺服器的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)寬度為73.5mm，考慮12V電壓輸出的CRPS伺服器輸出端使用的Oring-FET，可以使用25V汲極底置5x6封裝的功率晶體，其導(dǎo)通電阻最低可達(dá)0.45mΩ，然而當(dāng)機(jī)構(gòu)寬度減少至60mm時(shí)，PCB可以使用的寬度減少了20%，如果維持原來(lái)的輸出電流規(guī)格不變，此時(shí)采用較小封裝的功率晶體就成為一個(gè)可行的解決方案，25V源極底置3x3封裝的功率晶體，其導(dǎo)通電阻最低可達(dá)0.65mΩ，可以滿(mǎn)足在新機(jī)構(gòu)規(guī)格的寬度要求。如圖四所示。

圖四  在伺服器電源寬度減少下，輸出Oring-FET封裝的選用

大電流輸出的電源供應(yīng)器為提高效率采用功率晶體做為同步整流電路，減少大電流輸出所帶來(lái)的導(dǎo)通損耗是必要的設(shè)計(jì)考量。位于變壓器次級(jí)側(cè)的同步整流電路大多會(huì)采用變壓器中心抽頭(Center tap)結(jié)合功率電晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)同步整流功率晶體，相較于通孔 (through hole) 封裝而言，采用表面接著(Surface mount)封裝的優(yōu)勢(shì)，除了縮小封裝的體積外，更可以減少封裝引腳所帶來(lái)的寄生電感，進(jìn)而降低功率晶體切換過(guò)程中的電壓尖波。此外，為解決表面接著封裝功率晶體的溫度問(wèn)題而使用的散熱片連接方式，傳統(tǒng)上有兩種方式：其一，在功率晶體之上使用散熱片，通過(guò)功率晶體上方的塑膠外殼做熱的傳導(dǎo)，如圖五(a)所示；其二，散熱片與功率晶體汲極相連的PCB銅箔焊接連接，提高功率晶體的熱容量及傳導(dǎo)能力，如圖五(b)所示。上述的第一種方法，受限于功率晶體上方的熱阻值偏高，即使加了散熱片，其散熱效果并不明顯；第二種方法，散熱片分別直接接在兩功率晶體的汲極，這兩個(gè)位置是連接變壓器兩端，在電路當(dāng)中具有不同電位的兩高頻電位切換點(diǎn)，因此電氣隔離的考量使這個(gè)方法只能應(yīng)用在較無(wú)空間限制的應(yīng)用之中，如PC電源供應(yīng)器之中。

圖五  傳統(tǒng)同步整流功率晶體的散熱方式(a) 在功率晶體上使用散熱片(b)在PCB上使用散熱片

重新檢視交換式電源供應(yīng)器中變壓器結(jié)合同步整流電路的連接方式，如圖六所示，無(wú)論是具有中心抽頭的同步整流電路，或是在單端輸出的同步整流及飛輪功率晶體，其源極端都是兩兩相連，并且直接連接于輸出的地回路之上，地回路大多數(shù)情況會(huì)采用大面積的銅箔，或是額外使用銅片達(dá)成滿(mǎn)足大電流的需求，源極底置的功率晶體封裝非常適用于此種類(lèi)型的電路結(jié)構(gòu)，除了從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以有效利用地回路的銅箔面積來(lái)做散熱，汲極面積的減少亦可以相對(duì)降低高頻切換點(diǎn)所造成的共模雜訊干擾。

在電源供應(yīng)器的同步整流電路中，針對(duì)源極底置封裝的功率晶體，其零件布局概念如圖七，可以采用小板讓同步整流功率晶體以大面積銅箔在源極相連，甚或焊接額外的銅片到輸出的地電位，而其汲極可以分別在透過(guò)電源主板與變壓器相連。

圖六   電源供應(yīng)器同步整流電路結(jié)構(gòu)(a)LLC轉(zhuǎn)換器(b)全橋相移式轉(zhuǎn)換器(c)順向式轉(zhuǎn)換器

圖七  源極底置封裝功率晶體零件布局概念

源極底置封裝的功率晶體不同于傳統(tǒng)零件層級(jí)考量，是依照系統(tǒng)層級(jí)考量所設(shè)計(jì)出來(lái)的新式封裝，相較于汲極底置的封裝而言，不僅僅減少了寄生電阻及寄生電感能夠減少導(dǎo)通電阻及切換時(shí)產(chǎn)生的電壓尖波。此外，熱阻的降低，能夠大幅提高功率晶體的熱容量及電流能力，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在降壓型轉(zhuǎn)換器中可分別采用汲極底置及源極底置的功率晶體來(lái)達(dá)到更好的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率及熱傳導(dǎo)；而在同步整流中，可以全部采用源極底置的功率晶體，配合小卡結(jié)合源極互連的零件布局及更好的散熱效果，達(dá)到更好的轉(zhuǎn)換效率。